Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №1

Ферментеры для глубинного культивирования уксусных бактерий — это изготовленные из нержавеющей стали емкости, внутри которых размещаются перемешивающие устройства и аэраторы различных конструкций (рис. 3).

Рис. 3. Схема ферментера для производства уксуса:

_{1 — корпус из нержавеющей стали; 2 — перемешивающее устройство; 3 — аэратор (его обычно называют барботером); 4 — змеевик системы термостатирования.}

Процесс получения уксуса при периодическом глубинном способе заключается в следующем. От предыдущего цикла в аппарате остается жидкость (примерно 1/3 рабочего объема аппарата), которая служит посевным материалом для следующего цикла. В аппарат заливается до рабочего объема питательная смесь, содержащая уксусную кислоту и этанол. Перемешивающее устройство интенсивно перемешивает жидкость, а через аэратор непрерывно подается воздух. В начале цикла условия жизни для бактерий резко меняются, и в результате некоторое время не наблюдается их заметного роста, эта стадия в развитии микроорганизмов называется лаг-фазой. По окончании лаг-фазы концентрация спирта начинает уменьшаться, а кислоты — наоборот, расти. Некоторое время в аппарат приходится порциями добавлять раствор спирта. После того как концентрация уксуса достигает 9-10 %, около 2/3 объема жидкости отбирается как готовый продукт, и цикл повторяется.

Производительность глубинных аппаратов в несколько раз выше, а сами они в несколько раз меньше, чем аппараты, заполненные стружками, в них значительно меньше потери этанола. Кроме того, отпадает необходимость применения древесных стружек. Немаловажно и то, что при глубинном способе возрастает культура производства.

В начале 70-х годов прошлого столетия у группы сотрудников кафедры "Машины и аппараты микробиологических производств" в Московском институте химического машиностроения (теперь это Московский государственный университет инженерной экологии), возглавляемой профессором Петром Ивановичем Николаевым, возникла идея совместить в промышленном масштабе микробиологические методы с приемами постановки и ведения процессов, хорошо отработанными в химической технологии. Для этого пришлось провести целый комплекс серьезных исследований. Вот ведь парадокс: процесс был известен уже как минимум два с половиной тысячелетия, но до середины XX века оставался в основном эмпирическим. До этого момента усовершенствования технологий касались, прежде всего, устройства аппаратов, а микробиологические аспекты разрабатывались весьма слабо.

В 60-е годы стали появляться работы, посвященные физиологии и биохимии уксусных бактерий. Они были направлены на изучение влияния концентрации кислорода и состава питательной среды, включая как минеральный фон, так и влияние этанола и самой уксусной кислоты. В это же время на кафедре микробиологии Ленинградского университета под руководством профессора М. С. Лойцянской были проведены исследования систематики, морфологии и физиологии этих бактерий. Были выделены штаммы бактерий, растущих в очень простой по составу среде, обладающей большой окислительной активностью, что оказалось необычайно полезно для промышленного производства уксуса.

Оптимальная температура для роста Acetobacter aceti — 25–30 °C. В качестве источника азота уксуснокислые бактерии используют минеральные соли, предпочтительно аммонийные. Ацетобактеры сами синтезируют все необходимые витамины и поэтому растут в питательных средах без их добавления.

Лучшим соединением углерода для бактерий рода Acetobacter является уксусная кислота. Хорошо растут они также в средах, содержащих этиловый спирт или молочную кислоту, превращая их в уксусную.

Исследованиями Ю. Л. Игнатова было показано, что накапливаемая в процессе уксусная кислота снижает окислительную активность бактерий и уменьшает удельную скорость роста клеток. Этот факт позволил П. И. Николаеву с сотрудниками организовать процесс получения уксусной кислоты в батарее из нескольких аппаратов глубинным способом в непрерывном режиме. В результате получилась оригинальная технологическая схема, в которой процесс получения 9 %-ной уксусной кислоты ведут в четырех-пяти последовательно соединенных ферментерах (рис. 4). В такой батарее, в первых двух, по ходу жидкости, аппаратах при сравнительно низкой концентрации уксусной кислоты бактерии размножаются с большой скоростью при высокой окислительной активности, что обеспечивает высокую продуктивность процесса. В последних по ходу жидкости аппаратах, работающих, напротив, при высоких концентрациях уксусной кислоты, продуктивность снижается, в них происходит в основном доокисление оставшегося в растворе спирта. Общая производительность всех аппаратов батареи значительно выше, чем одного, выпускающего уксус 9 %-ной концентрации. Ю.Л. Игнатов показал, что производительность единицы рабочего объема аппарата, работающего по батарейному способу, может достигать 4 9,4 кг уксусной кислоты с 1 м³ в сутки.

Разработанный способ был на удивление быстро внедрен на нескольких заводах. Сейчас по этой технологии работают Экспериментальный пищекомбинат в Балашихе, уксусные цеха в городах Горловка и Днепродзержинск на Украине, завод в Словакии.

Рис. 4. Схема установки для получения уксуса в непрерывном режиме. Переток жидкости из аппарата в аппарат происходит из-за разницы давлений в "воздушной подушке", возникающей за счет разного заглубления переточных труб h: h2 > h3 > h4 > h5.

Краткие сведения о химизме окисления этанола в уксусную кислоту Acetobacter aceti

Итоговая реакция окисления этилового спирта в уксусную кислоту выглядит следующим образом:

Acetobacter aceti

С₂Н₅ОН —> СН₃СООН + Н₂О + Q

По современным представлениям, окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями вида Acetobacter aceti — двухфазный процесс. Этанол окисляется алкоголь- и альдегиддегидрогеназами с образованием уксусной кислоты и двух молекул НАДН₂. (Этот фермент отвечает за перенос водорода в дыхательной цепи.)

Алкогольдегидрогеназа Acetobacter aceti содержит недавно открытую простетическую группу метоксантин, или пирролохинолинхинон. Этот фермент находится на внешней стороне плазматической мембраны и катализирует окисление этанола в уксусную кислоту. Метоксантин частично попадает в питательную среду и в пищевой уксус, придавая ему слегка желтоватую окраску.

ХИМИЧКА

Опыты в домашней лаборатории

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Этот раздел был создан исключительно для вашей безопасности, поэтому прочтите его, пожалуйста. Все опыты полностью безопасны, если у вас есть достаточные химические знания. Так что перед работой обязательно проанализируйте описание эксперимента, просмотрите примечания про технику исполнения и правила безопасности. В случае необходимости обратитесь за консультацией к учителю или почитайте дополнительную литературу. Можете быть уверены, что при точном выполнении приведённых ниже советов вы не получите травм или отравлений при работе с химическими веществами. Итак, вот основные и самые важные правила:

1) НИКОГДА не пробуйте на вкус и не нюхайте химические вещества!

2) При работе с открытым пламенем соблюдайте правила противопожарной безопасности.

3) Если вы хотите добавить спирт в спиртовку, то её обязательно необходимо потушить перед доливанием.

4) Если вам необходимо сделать раствор кислоты, то необходимо лить кислоту в воду, а не наоборот. Для того чтоб запомнить это, существует простенький стишок:

Сначала вода, потом кислота,

иначе случится большая беда!

5) После проведения ЛЮБОГО эксперимента тщательно вымойте руки.

6) Никогда не кушайте во время проведения эксперимента.

7) Никогда не кладите еду на стол, на котором проводится опыт или на котором находятся реактивы.

8) При проведении опытов берите только те количества вещества и соблюдайте те пропорции, которые указаны в описании опыта.

9) Если необходимо понюхать какое-либо вещество, то не подносите его к носу, а совершите несколько движений рукой от вещества к носу и понюхайте воздух.